利用动态多光谱 NIR/SWIR 成像研究体内淋巴血管的结构并进行功能定量

本文要点：尽管淋巴系统是体内第二大循环系统，但用于表征淋巴管功能的技术仍旧有限。本文报道了一种用于淋巴循环微创体内量化的短波红外（SWIR） 成像技术，与近红外第一窗口成像相比，该技术具有优异的对比度和分辨率。本研究的目标是通过 SWIR 荧光成像研究体内淋巴结构和功能。研究者使用近红外第一窗口 （NIR-I，700 至 900 nm） 和 SWIR（900 至 1800 nm） 成像，两种荧光成像方式，评估了健康、免疫功能低下的盐敏感 Sprague-Dawley 大鼠的表面下淋巴循环。还比较了两种荧光成像探针：吲哚菁绿 （ICG） 和硫化银量子点 （QD） 的SWIR淋巴造影。相对于 NIR-I 成像，SWIR 成像表现出更少的散射和自发荧光背景。使用 ICG 的 SWIR 成像的分辨率和灵敏度是 NIR-I 的 1.7 倍，使用 QD的 SWIR 成像的分辨率和灵敏度提高了近两倍，并增强了血管的区分能力。因此，SWIR 图像比传统的 NIR-I 图像更准确地估计体内血管大小。与使用 ICG 染料的 NIR-I 成像的传统成像技术相比，将硫化银 QD 注射到皮内足垫注射液中的 SWIR 成像提供了卓越的图像分辨率。

图1. 多光谱成像系统示意图

在组织状散射介质（1% liposyn 乳剂）中对 ICG 模型的 NIR-I 和 SWIR 成像的比较表明，由于 SWIR 成像方案中的散射较低，灵敏度和空间分辨率相对增加 [图 1（b）–1（e）]。毛细管荧光模型可视化的这些差异在10 mm深度处尤为明显。 

图2. 在足垫皮内注射ICG后，仰卧大鼠后肢和下腹部淋巴管的成像

本文观察到皮内足垫注射后淋巴管中 NIR 和 SWIR成像的 ICG 荧光图像之间的定量差异。正如体外模拟实验所预期的那样，使用ICG作为对比，SWIR 成像在小型和大型血管的体内都显示出卓越的空间分辨率 [图 2（a）–2（c）]。使用 ICG 的 SWIR 成像提供了高达1.7 倍的血管可区分性和高达 1.7 倍的分辨率。此外，由于激发光谱和发射光谱的光谱分离较宽，SWIR 发射图像中的激发污染较少。

图3. 淋巴管上绘制的圆形ROI计算淋巴团运输速度

在ZZ归一化和最小波去噪后，可以观察到每个淋巴团穿过淋巴管上绘制的感兴趣区域的不同峰值。通过在血管长度上绘制两个ROI，每个血管段的时间序列峰值（对应于过境淋巴的团块）可用于确定团块通过血管长度所需的时间，以及随后的运输速度[图3（a）-3（c）]。QD和ICG在腹部可见的血管中均显示出相似的传输速度，分别为6.39±2.40和7.06±1.58mm/s（n=4只大鼠）。在脚垫中注射伊文蓝（EB）可以在剥离皮肤时看到后肢/腹部皮下淋巴管。然后，可以测量真实的物理尺寸，并将其与使用与图2相同的技术从荧光数据中测量的血管直径进行比较。通过EB测量的血管平均直径为0.22±0.04mm（n=3只大鼠），而通过SWIR荧光测量的同一血管的平均直径为1.10±0.38mm（n=3只大白鼠）。因此，由于光通过皮肤的多次散射，SWIR血管横截面比解剖后EB测量的真实物理血管大五倍。

图4. 脚垫皮内注射 ICG和QD 后的后肢和下腹部淋巴管成像

ICG和QD在同一只动物的同一血管中注射，间隔13天，以便有时间清除之前的造影剂给药。这些图像表明，ICG标记的血管具有比QD更高的绝对强度，但由于更高的背景，其信噪比也较低。与ICG相比，Ag2S量子点的发射峰红移，发射窗口更窄。与使用ICG的SWIR成像相比，这应该会使QD-SWIR成像的分辨率更高，图4（a）-4（c）的结果证实了这一点，其中ICG和QD发射都是用980nm长通滤光片成像的。尽管纯SWIR发射量子点由于散射减少而显示出更清晰的空间分辨率，但它们在淋巴管中不如ICG明亮。如图4（a）和4（b）所示，较小的淋巴管在ICG成像中显示得更亮。根据血管间距，使用量子点的SWIR成像提供了高达2.5倍的血管可分辨性，分辨率高达1.7倍。这可能是由于ICG的SWIR发射波长较短，导致散射较高。NIR（830 nm BP）和SWIR（980 nm LP）图像与ICG和Ag2S量子点在相对肢体同时注射的配准表明，Ag2S QD可以实现更高的空间分辨率和更低的背景[图4（d）]。这种尺寸的Ag2S量子点预计会在1100至1200 nm之间出现峰值[图4（e）]。注射QD的大鼠没有出现任何明显的毒性，大约一周后，QD从注射部位清除。

淋巴管特性是通过将切除的灌注血管放置在细丝肌图上进行离体表征的。这项技术研究了淋巴管收缩性的时间序列，可用于检查血管舒张剂、遗传学和跨壁压力梯度对离体淋巴管收缩功能的影响。体内荧光成像实时可视化淋巴泵送——这些脉冲的强度、持续时间和频率与淋巴管回流到循环中的液体量直接相关，这与肌描记术相比是一个重要区别，肌描记法中的收缩不一定导致功能性蠕动液体运输。

本研究表明，使用硫化银量子点对淋巴网络进行SWIR成像，可以对淋巴管进行高分辨率成像，并量化表征淋巴循环所需的参数，如流速和瓣膜功能。SWIR在体内具有更高的空间分辨率，可以更精确地近似和建模淋巴，这将改善目前对淋巴功能的近似。更高的空间分辨率和更大的信噪比也更有利于计算机视觉血管分割算法，从而产生高精度的血管网络，从中可以提取时间序列数据并用于机器和深度学习算法。该项目中量化淋巴功能的高分辨率动态成像技术适用于任何数量的血管疾病状态，如高血压和癌症。

本文已经在大鼠身上演示了双NIR和SWIR荧光成像系统的使用。该系统可适用于除淋巴管外的各种体内成像应用。研究证明，使用基于Ag2S的量子点作为SWIR探针可以使识别淋巴管的灵敏度提高近三倍，空间分辨率提高1.7倍。这种提高的灵敏度和分辨率可以检测到更深、更小的体内淋巴管，而传统的基于ICG的近红外荧光成像可能会遗漏这些淋巴管。因此，Ag2S QDs的SWIR成像可以成为探测癌症和其他涉及淋巴重塑和功能障碍的病理学中淋巴管生成的敏感工具。此外，本文已经证明SWIR动态荧光成像可用于定量体内淋巴转运。
 

参考文献
Christopher Hansen, Jaidip M. Jagtap, Abdul Parchur, Gayatri Sharma, Shayan Shafiee, Sayantan Sinha, Heather Himburg, and Amit Joshi "Dynamic multispectral NIR/SWIR for in vivo lymphovascular architectural and functional quantification," Journal of Biomedical Optics 29(10), 106001
 

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